KR101401823B1 - Method and apparatus for calculating a laser shot file for use in an excimer laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엑시머 레이저에서 사용하기 위한 레이저 샷 파일을 계산하는 방법 및 장치로서, 원하는 절제 프로파일에 관한 정보를 제공하는 단계; 상기 원하는 절제 프로파일의 샷 밀도를 계산하는 단계; 그리드 위치들 상에 상기 엑시머 레이저의 레이저 샷들을 제공하기 위해 비용 함수를 이용하는 단계를 포함하고, 상기 원하는 절제 프로파일의 계산된 샷 밀도에 기초하여 임계치가 결정되는 방법 및 장치에 관한 것이다.A method and apparatus for calculating a laser shot file for use in an excimer laser, the method comprising: providing information about a desired ablation profile; Calculating a shot density of the desired ablation profile; And using a cost function to provide laser shots of the excimer laser on grid positions, wherein the threshold is determined based on the calculated shot density of the desired ablation profile.
엑시머 레이저, 레이저 샷 프로파일, 그리드 폭, 절제 프로파일, 교정 Excimer laser, laser shot profile, grid width, ablation profile, calibration
Description
본 발명은 엑시머 레이저에서 사용하기 위한 레이저 샷 파일을 특히 디더링 알고리즘(dithering algorithm)을 이용하여 계산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 눈의 레이저 치료를 수행할 때 또는 레이저 절제에 의해 맞춤화된 콘택트 렌즈 또는 접안 렌즈(IOL)를 제조할 때 레이저 샷 파일을 적용하기에 적합하다.The present invention relates to a method and apparatus for calculating a laser shot file for use in an excimer laser, in particular using a dithering algorithm. The present invention is particularly suited for applying a laser shot file when producing a contact lens or an eyepiece (IOL) customized by laser ablation or laser ablation of the eye.
미국 특허 제6,090,100호는 열 효과가 감소된 시력(vision) 교정용 엑시머 레이저 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 이 특허는 근시, 원시 및 난시 교정과 같은 다양한 타입의 교정을 수행하기 위해 눈으로부터 조직을 제거하기 위한 엑시머 레이저 시스템을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 하나의 개시된 실시예에서, 엑시머 레이저 시스템은 샷(shot) 당 비교적 큰 적용 범위의 치료 영역을 제공하는 비교적 큰 스폿 크기를 제공한다. 이러한 큰 스폿 크기를 이용하는 반면, 샷들은 일반적으로 서로 "인접"하지 않고, 대신에 특정 포인트에서 원하는 정도의 절제를 행하기 위해 중첩된다. 중첩되는 샷들의 결과를 계산하기 위해, 하나의 알 고리즘이 이용된다. 치료 영역 전반에 분포되는 크고 일정한 스폿 크기를 이용하여 치료 패턴들을 계산하는 하나의 방법에서, 디더링 알고리즘이 이용된다. 직사각형 디더링, 원형 디더링 및 라인별 지향 디더링(line-by-line oriented dithering)이 특히 참조된다. 임의의 다양한 샷 디더링 방법을 이용하여, 원하는 절제도로 교정하기 위한 치료 영역 전반에 분포되는 일정한 스폿 크기를 위해 샷들의 어레이가 생성된다. 각각의 어레이에 대해, 개별 그리드 위치들 사이에 일정한 그리드 폭을 갖는 그리드가 사용된다. 공지된 디더링 방법들에서, 대개는 연속 프로파일인 원하는 절제 프로파일의 형상은 정수(whole-numbered) 이산 밀도 분포로 변형되어야 한다. 여기서, 연속 프로파일은 계획된 절제를 나타내며, 정수 이산 밀도 분포는 일련의 절제 플라잉 스폿 레이저 펄스들(ablating flying spot laser pulses)을 나타낸다. 잔여 구조, 즉 계획된 프로파일과 달성된 프로파일 간의 차이는 최소화되어야 한다. 정확한 해결책들은 적당한 시간에서가 아니라, 주로 수치적으로 발견될 수 있다. 따라서, 이러한 목적을 위해, 디더링 알고리즘들이 이용된다. 프로파일은 주어진 그리드 상에 이산된다. 알고리즘은 비용 함수 또는 장점 함수를 이용하여, 그리드의 각각의 위치에 대해 샷을 제공할 지의 여부를 결정한다. 이러한 결정을 위해, 통상적으로는 그리드의 소수의 이웃 위치들만이 고려된다. 이러한 디더링 알고리즘은 스폿의 실제 크기를 고려할 필요 없이 계산 시간을 절약한다. 하나의 레이저 샷으로 절제되는 샷 부피를 아는 것으로 충분하다. 그러나, 소정의 조건들 하에서, 공지된 디더링 알고리즘들은 프로파일의 부분들에서, 예를 들어 다음 이웃 샷이 너무 멀리 떨어져 있는 저밀도 영역들에서 아티팩 트(artifact)들을 생성한다. 아티팩트들은 거의 모든 위치에 샷이 제공되는 고밀도 영역들에서도 생성될 수 있다. 또한, 샷이 없는 위치들은 소수의 이웃 위치들만이 필요한 가정 하에서는 너무 큰 간격을 갖는다.U.S. Patent No. 6,090,100 relates to an excimer laser system for vision correction with reduced thermal effects. Specifically, this patent relates to an apparatus and method for controlling an excimer laser system for removing tissue from the eye to perform various types of calibrations, such as near-sight, native, and astigmatism correction. In one disclosed embodiment, an excimer laser system provides a relatively large spot size that provides a relatively large coverage area of treatment per shot. While utilizing such a large spot size, shots are generally not "adjacent" to each other, but instead are superimposed to perform the desired degree of ablation at a particular point. To calculate the result of overlapping shots, one algorithm is used. In one method of calculating treatment patterns using large and constant spot sizes distributed throughout the treatment area, a dithering algorithm is used. Rectangular dithering, circular dithering and line-by-line oriented dithering are particularly referred to. Using any of a variety of shot dithering methods, an array of shots is generated for a constant spot size distributed throughout the treatment area for calibrating to the desired ablation. For each array, a grid having a constant grid width between the individual grid positions is used. In known dithering methods, the shape of the desired ablation profile, which is usually a continuous profile, must be transformed into a whole-numbered discrete density distribution. Here, the continuous profile represents the planned ablation, and the integer discrete density distribution represents a series of ablating flying spot laser pulses. The residual structure, i.e. the difference between the planned and achieved profiles, should be minimized. Correct solutions can be found primarily numerically, not at the right time. Thus, for this purpose, dithering algorithms are used. The profile is dispersed on a given grid. The algorithm uses a cost function or an advantage function to determine whether to provide a shot for each position of the grid. For this determination, only a few neighboring locations of the grid are typically considered. This dithering algorithm saves computation time without having to consider the actual size of the spot. Knowing the shot volume to be ablated by one laser shot is sufficient. However, under certain conditions, known dithering algorithms generate artifacts in portions of the profile, e.g., in low density regions where the next neighbor shot is too far away. Artifacts can also be generated in high density areas where shots are provided at almost any position. Also, positions without shots have too large gaps under the assumption that only a small number of neighboring positions are required.
디더링 알고리즘들의 일반 배경과 관련하여, 디지털 이미지 치료의 분야와 관련된 미국 특허 제6,271,936호가 참조된다. 구체적으로, 이 특허는 에러 확산, 디더링 및 과변조 방법들을 이용하여 연속 톤 이미지를 디지털 방식으로 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다. 균일해야 할 영역에 흑색 또는 백색 출력 픽셀들이 함께 줄지어 나타날 때 형성되는 웜(worm)들과 같이 아티팩트가 발생할 수 있는 문제가 언급되어 있다. 이 미국 특허는 이러한 공지 방법들의 상세한 설명을 제공한다는 점에서, 완전히 다른 기술 분야와 관련된다. 기타 차이들 중에서, 공지된 레이저 프린터 시스템들은 인치당 도트 수로서 주어지는 각각의 일정한 해상도를 이용하고 있는데, 즉 인치당 보다 많은 도트 수는 보다 양호한 해상도로 이어진다. 더욱이, 공지된 레이저 프린터는 도트들이 중첩되고 접하는 문제를 갖지 않는데, 이는 한 포인트를 두 번 이상 자주 두드릴 때 추가적인 흑색화를 발생시키지 않기 때문이다. 오히려, 이미지를 생성하기 위해, 소정의 그레이 레벨을 갖는 이미지의 소정 국부 영역 내에 대응하는 수의 도트들을 제공함으로써 그러한 국부 영역이 생성될 수 있다.With regard to the general background of dithering algorithms, reference is made to U.S. Patent No. 6,271,936, which is related to the field of digital image therapy. Specifically, the patent relates to a method for digitally monitoring continuous tone images using error diffusion, dithering, and over-modulation methods. Artifacts such as worms formed when black or white output pixels line up together in a region to be uniform are mentioned. This U.S. patent relates to a completely different technical field in that it provides a detailed description of these known methods. Among other differences, known laser printer systems use each constant resolution given as dots per inch, i.e., more dots per inch leads to better resolution. Moreover, known laser printers do not have the problem of dots overlapping and tangential, since they do not cause additional blackening when a point is frequently hit more than once. Rather, such a local area can be created by providing a corresponding number of dots in a given local area of an image having a predetermined gray level, to produce an image.
<발명의 요약>SUMMARY OF THE INVENTION [
본 발명의 목적은 굴절 엑시머 레이저에서 사용하기 위한 레이저 샷 계산 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 본 장치 및 방법에서는 계획된 프로파일과 달성된 프로파일 간의 차이가 최소화된다. 이러한 목적은 청구범위의 특징들로 해결된다.It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for calculating a shot of a shot for use in a refracted excimer laser wherein the difference between the projected profile and the achieved profile is minimized. This object is solved by the features of the claims.
예를 들어 근시를 교정하기 위한 원하는 절제 프로파일은 치료 영역의 중심부에서 최대 샷 밀도를 갖는 반면, 치료 영역의 주변 경계를 따라 최소 샷 밀도가 존재한다. 따라서, 치료 영역의 중심부에 적용되는 레이저 샷들의 수는 특히 치료 영역의 경계를 따르는 다른 부 영역들에서보다 많다.For example, the desired ablation profile for correcting myopia has a maximum shot density at the center of the treatment area, while a minimum shot density along the peripheral boundary of the treatment area exists. Thus, the number of laser shots applied to the center of the treatment area is greater, especially in other subareas along the border of the treatment area.
예를 들어 원시의 교정을 위해, 치료 영역의 중심부에는 최소 샷 밀도가 존재한다. 반면, 절제 프로파일은 치료 영역의 주변 경계를 따라 더 많은 수의 레이저 샷들을 필요로 한다.For example, for primitive calibration, there is a minimum shot density at the center of the treatment area. On the other hand, ablation profiles require a greater number of laser shots along the perimeter boundaries of the treatment area.
본 발명은 일반적으로 임의의 절제 프로파일에 적용 가능한데, 최대 샷 밀도를 갖는 임의의 부 영역 및/또는 최소 샷 밀도를 갖는 임의의 부 영역을 결정하기 위해 상이한 샷 밀도를 갖는 부 영역들이 조사된다.The present invention is generally applicable to any ablation profile in which subregions having different shot densities are examined to determine any subregions with maximum shot density and / or any subregions with minimum shot density.
본 발명의 전반적인 개념은 주어진 그리드 상에 주어진 절제 프로파일을 이산화할 때 엑시머 레이저의 레이저 샷들을 제공하는 데 이용되는 디더링 알고리즘을 적응시키는 아이디어에 기초한다. 디더링 알고리즘은 비용 함수를 이용하여 그리드의 각각의 위치에 대해 샷을 제공할지를 결정한다. 구체적으로, 소정의 원하는 절제 프로파일을 얻기 위한 샷 밀도가 먼저 계산된다. 원하는 절제 프로파일의 계산된 샷 밀도에 따라, 디더링 알고리즘은 샷 계산을 위해 비용 함수에서 사용되는 동적 임계치를 이용하여 적응된다.The overall concept of the present invention is based on the idea of adapting the dithering algorithm used to provide laser shots of an excimer laser when discretizing a given ablation profile on a given grid. The dithering algorithm uses a cost function to determine whether to provide shots for each position of the grid. Specifically, the shot density for obtaining a desired ablation profile is calculated first. Depending on the calculated shot density of the desired ablation profile, the dithering algorithm is adapted using the dynamic threshold used in the cost function for shot computation.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 임계치는 원하는 절제 프로파일의 최소 샷 밀도 및/또는 최대 샷 밀도에 따라 2개 이상의 상이한 임계치로부터 선택된 다. 일반적으로, 낮은 샷 밀도를 갖는 원하는 절제 프로파일에 대해서는 보다 낮은 임계치가 사용된다. 높은 샷 밀도를 갖는 원하는 절제 프로파일에 대해서는 보다 높은 임계치가 사용된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the threshold is selected from two or more different thresholds according to the minimum shot density and / or the maximum shot density of the desired ablation profile. Generally, a lower threshold is used for the desired ablation profile having a low shot density. A higher threshold is used for the desired ablation profile having a high shot density.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 임계치는 절제 프로파일의 최대 샷 밀도의 0% 내지 20% 범위 내의 값이다. 대안으로 또는 추가적으로, 제2 임계치는 최대 샷 밀도의 20% 내지 80% 범위 내의 값이다. 대안으로 또는 추가적으로, 제3 임계치는 최대 샷 밀도의 80% 내지 100% 범위 내의 값이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first threshold is within a range of 0% to 20% of the maximum shot density of the ablation profile. Alternatively or additionally, the second threshold is a value in the range of 20% to 80% of the maximum shot density. Alternatively or additionally, the third threshold is a value in the range of 80% to 100% of the maximum shot density.
본 발명의 더 바람직한 실시예에 따르면, 셋보다 많은 임계치가 사용되며, 더 바람직하게는 임계치 "TV(x,y)"는 다음 식 1에 따라 샷 밀도 "D(x,y)"와 관련된다.According to a more preferred embodiment of the invention, more than three thresholds are used, more preferably the threshold "TV (x, y)" is associated with the shot density "D (x, y)" .
더 바람직하게는, 다음 식 2에 따라 임계치 "TV(x,y)"와 "D(x,y)" 사이에 선형 관계가 존재한다.More preferably, there is a linear relationship between the thresholds "TV (x, y)" and "D (x, y)"
여기서, "a"는 O<a≤1.5의 범위 내의 양의 팩터이고, "x" 및 "y"는 계산이 행해지는 그리드 위치의 좌표이다.Here, "a" is a positive factor in the range of O < a < 1.5, and "x" and "y" are coordinates of the grid position at which calculation is performed.
바람직하게는, 임계치는 밀도 함수에 따라 각각의 그리드 위치에 대해 설정 된다. 더 바람직하게는, 임계치는 각각의 그리드 위치에서의 밀도 함수의 값과 동일하거나 유사한 값으로 설정된다.Preferably, the threshold is set for each grid position according to a density function. More preferably, the threshold is set to a value equal to or similar to the value of the density function at each grid location.
임계치는 적어도 바람직하게는 각각의 그리드 위치에서의 밀도 함수의 값의 80% 내지 110%, 더 바람직하게는 90% 내지 100%의 범위 내의 값이다. 따라서, 식 1의 팩터 "a"는 바람직하게는 0.8 내지 1.1, 더 바람직하게는 0.9 내지 1.0의 범위 내의 값이다. a=1에서 최상의 결과들이 얻어질 수 있다.The threshold value is preferably at least in the range of 80% to 110%, more preferably 90% to 100% of the value of the density function at each grid position. Therefore, the factor "a" of the
그리드 위치 P(x,y) 주위의 부 영역 내의 국부 샷 밀도 D(x,y)는 아래의 식을 이용하여 단일 레이저 샷의 절제 부피 Vshot 및 그리드 폭 G를 이용하여 각각의 부 영역 내의 절제 프로파일 Z(x,y)로부터 계산된다.The local shot density D (x, y) in the subarea around the grid position P (x, y) can be calculated by using the following formula, using the resection volume V shot of the single laser shot and the grid width G, Is calculated from the profile Z (x, y).
바람직한 실시예에 따르면, 그리드 위치들 상의 엑시머 레이저의 레이저 샷들의 제공을 계산하기 위해 디더링 알고리즘이 이용된다. 디더링 알고리즘은 디더링 알고리즘에 사용될 그리드의 최적화된 그리드 폭을 결정함으로써 원하는 절제 프로파일에 적응된다. 그리드 폭을 최적화하는 이러한 양태의 보다 상세한 설명을 위해, "Method and apparatus for calculating a laser shot file for use in a refractive excimer laser"라는 제목을 가진 본 출원인의 함께 계류중인 특허 출원을 참조한다.According to a preferred embodiment, a dithering algorithm is used to calculate the provision of laser shots of an excimer laser on grid positions. The dithering algorithm is adapted to the desired ablation profile by determining the optimized grid width of the grid to be used in the dithering algorithm. For a more detailed description of this aspect of optimizing the grid width, reference is made to our co-pending patent application entitled " Method and Apparatus for a Laser Shot File for a Refractive Excimer Laser. &Quot;
바람직한 실시예에 따르면, 아래의 식을 이용하여, 프로파일의 최대 값 Zmax(x,y) 및 원하는 최대 밀도 Dmax(x,y)에 대한 그리드 폭이 얻어진다.According to a preferred embodiment, the maximum value Z max (x, y) of the profile and the grid width for the desired maximum density D max (x, y) are obtained using the following equations.
식 3에서, 원하는 프로파일의 최소 주위의 국부 샷 밀도가 주어진 그리드 폭을 이용하여 계산된다. 바람직하게는, 그리드 폭은 식 4를 이용하여 계산된다. 동적 임계치의 영향은 2개의 예를 이용하여 설명된다. 제1 예로서, +4 dpt의 원하는 교정을 위해 약 5.5 mm의 치료 영역을 이용하는 치료가 선택된다. 이러한 원시 교정은 중심 주위의 고리 모양 부분을 따라 최대 절제가 이루어진다. 원하는 깊이는 약 26 μm이다. 통상적인 엑시머 치료 레이저를 이용하여 결과에 도달하기 위해서는 약 445 번의 레이저 샷이 필요하다. 약 18%의 고리 모양 부분을 따른 샷 밀도를 얻기 위해 98 μm의 그리드 폭이 선택된다. 이 예에서는 일정한 임계치를 이용하여 절제가 계산된다. 제2 절제 예에서, 치료 영역은 다시 5.5 mm이고, 교정은 +4 dpt이다. 원하는 최대 깊이는 또는 약 26 μm이고, 약 445번의 레이저 샷이 필요하다. 제2 예에 대해서는 동적 임계치가 사용된다. 제2 예는 절제를 계산할 때 동적 임계치를 사용하는 이익을 보여준다.In Equation 3, the minimum surrounding local shot density of the desired profile is calculated using a given grid width. Preferably, the grid width is calculated using Equation (4). The influence of the dynamic threshold is explained using two examples. As a first example, a treatment using a treatment area of about 5.5 mm is selected for a desired calibration of +4 dpt. This primitive correction is maximal resection along the annular portion around the center. The desired depth is about 26 μm. Approximately 445 laser shots are required to reach the result using a conventional excimer therapy laser. A grid width of 98 μm is selected to obtain a shot density along the annular portion of about 18%. In this example, ablation is calculated using a constant threshold. In the second ablation example, the treatment area is again 5.5 mm and the calibration is +4 dpt. The desired maximum depth is about 26 μm, and about 445 laser shots are required. For the second example, a dynamic threshold is used. The second example shows the benefit of using dynamic thresholds when calculating ablation.
더 바람직한 실시예에 따르면, 원하는 절제 프로파일은 2개 이상의 절제 서브 프로파일로 분할된다. 이어서, 각각의 절제 서브 프로파일에 대해, 각각의 샷 밀도가 계산되고, 각각의 계산된 절제 서브 프로파일의 밀도에 기초하여 각각의 그리드 폭이 결정된다. 각각의 서브 프로파일은 동적 임계치를 이용하여 계산된다. 따라서, 콘트라스트가 매우 높은, 즉 최대 샷 밀도와 최소 샷 밀도 간의 차이가 매우 큰, 원하는 절제 프로파일에 대해, 레이저 샷 파일의 계산은 바람직하게는 대응 레이저 샷 파일로 귀착되는 각각의 절제 서브 프로파일에 대해 상이한 그리드 상수들 또는 그리드 폭들을 이용하여 둘 이상의 런(run)에서 행해진다. 이후, 둘 이상의 레이저 샷 파일들이 하나의 단일 레이저 샷 파일로 결합될 수 있다.According to a more preferred embodiment, the desired ablation profile is divided into two or more ablation sub-profiles. Then, for each ablation sub-profile, the respective shot density is calculated and the respective grid widths are determined based on the density of each calculated ablation sub-profile. Each sub-profile is calculated using dynamic thresholds. Thus, for a desired ablation profile, in which the contrast is very high, i.e. the difference between the maximum shot density and the minimum shot density is very large, the calculation of the laser shot file is preferably performed for each ablation sub- Is done in more than one run using different grid constants or grid widths. Thereafter, two or more laser shot files may be combined into one single laser shot file.
본 발명에 따르면, 계산되고 제공된 레이저 샷들은 레이저 샷 시퀀스를 얻기 위해 분류하는 추가 단계에서 치료된다. 분류는 임의의 열 효과들이 방지되어야 한다는 것, 즉 2개의 연속하는 레이저 샷이 치료 영역 내의 서로 이격된 상이한 그리드 위치들에 제공되는 것이 바람직하다는 것을 고려하여 수행된다.According to the invention, the calculated and provided laser shots are treated in an additional step of sorting to obtain a laser shot sequence. The classification is performed considering that any thermal effects should be avoided, i.e., that two consecutive laser shots are preferably provided at different grid locations spaced apart from each other within the treatment area.
본 발명은 도면들을 참조하는 예들을 통해 더 설명된다.The invention is further illustrated by means of examples with reference to the drawings.
도 1A는 일정한 임계치를 이용하는 제1 테스트에 대한 레이저 샷들의 위치를 나타내는 도면이다.1A is a diagram illustrating the location of laser shots for a first test using a constant threshold.
도 1B는 계획된 프로파일 및 달성된 프로파일을 도 1A의 수평축을 따른 단면으로서 나타내는 도면이다.1B is a view showing a planned profile and an achieved profile as a section along the horizontal axis of FIG. 1A.
도 1C는 계획된 프로파일 및 달성된 프로파일을 도 1A의 수직축을 따른 단면으로서 나타내는 도면이다.Figure 1C is a view showing the projected profile and the achieved profile as a section along the vertical axis of Figure 1A.
도 2A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 동적 임계치를 이용하는 제2 테스트에 대한 레이저 샷들의 위치를 나타내는 도면이다.2A is a diagram illustrating locations of laser shots for a second test using a dynamic threshold in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 2B는 계획된 프로파일 및 달성된 프로파일을 도 2A의 수평축을 따른 단면 으로서 나타내는 도면이다.Fig. 2B is a view showing the planned profile and the achieved profile as a section along the horizontal axis of Fig. 2A.
도 2C는 계획된 프로파일 및 달성된 프로파일을 도 2A의 수직축을 따른 단면으로서 나타내는 도면이다.Figure 2C is a diagram showing the projected profile and the achieved profile as a section along the vertical axis of Figure 2A.
도 3은 디더링 알고리즘을 이용하여 레이저 펄스 패턴들을 계산하는 흐름도이다.3 is a flow chart for calculating laser pulse patterns using a dithering algorithm.
도 4는 이웃 에러 값들을 가중화하는 데 사용 가능한 가중 팩터들을 갖는 서브 그리드의 일례를 나타내는 도면이다.4 is an illustration of an example of a sub-grid with weighting factors that can be used to weight neighboring error values.
도 1A, 1B 및 1C는 5.5 mm의 직경을 갖는 치료 영역 내에서 통상적인 굴절 치료용 엑시머 레이저를 이용하고 1mm의 직경을 갖는 레이저 샷을 이용하여 약 +4 디옵터의 값으로 원시를 교정하기 위해 굴절 엑시머 레이저에서 사용하기 위한 레이저 샷 파일의 시뮬레이션된 계산을 나타낸다. 이러한 시뮬레이션된 제1 테스트에서, 그리드 폭은 98 μm이다. 따라서, 2개의 이웃하는 그리드 포인트들 간의 거리는 98 μm이다. 이 예에서, 그리드 포인트들은 행들 및 열들로 배열된다. 절제를 달성하기 위해 총 445 번의 레이저 샷이 사용된다. 단일 샷의 절제 부피에 따라, 결과적인 치료는 상기한 약 +4 디옵터의 굴절을 가질 것으로 예상된다. 도 1A의 도면은 "+" 부호로 각각 표시된 그리드 위치들 중 하나와 관련된 445개의 레이저 샷들 각각의 중심 위치를 나타낸다. 도 1A의 우상 코너에서, 그리드는 98 μm의 그리드 폭을 갖는 것으로 개략 도시되어 있다. 도시된 레이저 샷 중심 위치들 각각은 이 그리드의 하나의 그리드 포인트 상에 배열된다. 도 1B의 도면은 원하는 절제 프로파일, 즉 각각의 X 위치에 대한 μm 단위의 절제 깊이를 점선으로서 도시하고 있다. 절제 깊이는 대략 x 위치들 -2 및 +2에서 치료 영역의 고리 모양 부분에서 약 26 μm이고, 중심부 및 양 측부에서는 이보다 작다. 중심부에서 절제 깊이는 거의 0이다. 이 도면은 시뮬레이션된 결과 절제 프로파일을 도 1A의 포인트 0-0을 통해 수평축을 따라 취해진 단면과 같은 실선으로서 더 보여준다. 유사하게, 도 1C는 원하는 절제 프로파일을 도 1A의 포인트 0-0을 통해 수직축을 따른 단면으로서 취해진 점선으로서 더 도시하고 있다. 도 1C는 결과적인 절제 프로파일을 도 1A의 포인트 0-0을 통해 수직축을 따른 단면으로서 취한 실선으로서 더 보여준다. 도 1에서, 이 예에서 5.5 mm의 직경을 갖는 치료 영역 내의 평균 샷 밀도는 약 18%이다(도 1A). 레이저 샷들의 각각의 중심 위치는 X 방향으로 ±2.7 mm 그리고 Y 방향으로 ±2.7 mm의 범위 내에 배치된다.Figures 1A, 1B and 1C illustrate the use of a conventional refractory excimer laser in a treatment region having a diameter of 5.5 mm and refraction to correct the source to a value of about +4 diopters using a laser shot having a diameter of 1 mm Lt; / RTI > shows a simulated calculation of a laser shot file for use in an excimer laser. In this simulated first test, the grid width is 98 [mu] m. Thus, the distance between two neighboring grid points is 98 [mu] m. In this example, the grid points are arranged in rows and columns. A total of 445 laser shots are used to achieve ablation. Depending on the ablation volume of a single shot, the resulting treatment is expected to have a refraction of about +4 diopters as described above. 1A shows the center position of each of the 445 laser shots associated with one of the grid positions respectively marked with a "+" sign. At the upper right corner of Figure 1A, the grid is schematically shown as having a grid width of 98 [mu] m. Each of the illustrated laser shot center positions is arranged on one grid point of this grid. The diagram of Figure 1B shows the desired ablation profile, i.e. the ablation depth in microns for each X position, in dotted lines. The ablation depth is approximately 26 [mu] m at the annular portion of the treatment region at approximately x-2 and +2 at the x-position, and less at the center and both sides. The depth of ablation at the center is almost zero. This figure further shows the simulated result ablation profile as a solid line like the section taken along the horizontal axis through point 0-0 in Figure 1A. Similarly, Figure 1C further illustrates the desired ablation profile as a dotted line taken as a section along the vertical axis through point 0-0 in Figure 1A. Figure 1C further shows the resulting ablation profile as a solid line taken as a section along the vertical axis through point 0-0 in Figure IA. In Figure 1, the average shot density in the treatment area having a diameter of 5.5 mm in this example is about 18% (Figure 1A). The center position of each of the laser shots is located within a range of ± 2.7 mm in the X direction and ± 2.7 mm in the Y direction.
도 2A, 2B 및 2C는 동적 임계치를 사용하는 것 외에는 도 1A, 1B 및 1C에서 와 유사한 제2 테스트의 결과들을 나타낸다. 구체적으로, 이 테스트에서, 샷 밀도 D(x,y)는 임계치 TV(x,y)로서 사용되었다. 따라서, 팩터 "a"는 위의 식 2에서 a=1로서 선택된다.Figures 2A, 2B, and 2C show the results of a second test similar to those in Figures 1A, 1B, and 1C except that the dynamic threshold is used. Specifically, in this test, the shot density D (x, y) was used as the threshold TV (x, y). Therefore, the factor "a" is selected as a = 1 in
제1 테스트에 대한 일정한 임계치의 사용은 절제의 보다 낮은 부분 내의 레이저 샷 위치들의 라인와이즈(linewise) 배열과 같은 아티팩트(artifact)들을 유발한다(도 1A). 예를 들어, 도시된 바와 같이, 더 가까운 간격으로 수평 하부 라인을 따라 배열된 그리드 위치들에 여러 레이저 샷들이 제공된다. 이 수평 하부 라인으로부터 더 큰 간격으로 배열된 그리드 위치들에는 더 많은 레이저 샷들이 제공된다. 따라서, 레이저 샷들은 동일 방식으로 제공되지 않으며, 따라서 원하는 절제 프로파일로부터의 편차가 발생한다(도 1C 참조).The use of certain thresholds for the first test results in artifacts such as a linewise arrangement of laser shot positions within the lower portion of ablation (Figure 1A). For example, as shown, several laser shots are provided at grid positions arranged along a horizontal sub-line at closer spacing. More laser shots are provided at grid locations arranged at larger intervals from this horizontal sub-line. Thus, the laser shots are not provided in the same manner, and thus deviations from the desired ablation profile occur (see FIG. 1C).
제1 테스트 및 제2 테스트에 대한 도면들의 비교는 제2 테스트에서의 결과적인 절제 프로파일이 더 양호하다는 것을, 즉 결과적인 절제 프로파일의 곡선이 원하는 절제 프로파일의 곡선을 더 양호하게 따른다는 것을 보여준다(도 2B 및 2C 참조). 구체적으로, 도 1C는 결과적인 절제 프로파일이 원하는 절제 프로파일로부터 벗어난다는 것을, 즉 원하는 절제 프로파일의 우측 부분에 대해 시프트가 존재한다는 것을 보여준다. 디더링 알고리즘은 각각의 그리드 위치에 대한 레이저 샷들의 계산의 순서에 의존할 수 있는 결과적인 절제 프로파일의 부분들에서의 아티팩트들을 생성한다. 샷 밀도의 기울기를 갖는 영역들에서 샷들은 시프트된다. 시프트는 원하는 절제의 깊이에 의존한다. 또한, 웜(worm)이라고 하는 아티팩트들이 발생할 수 있다.Comparison of the figures for the first test and the second test shows that the resulting ablation profile in the second test is better, i.e. the curve of the resulting ablation profile better follows the curve of the desired ablation profile 2B and 2C). Specifically, FIG. 1C shows that the resulting ablation profile deviates from the desired ablation profile, i. E. There is a shift relative to the right portion of the desired ablation profile. The dithering algorithm generates artifacts in portions of the resulting ablation profile that may depend on the order of computation of laser shots for each grid position. Shots are shifted in areas with a slope of the shot density. The shift depends on the depth of the desired ablation. In addition, artifacts such as worms can occur.
디더링 알고리즘을 이용하므로, 입력 파라미터들은 레이저 샷의 샷 부피 및 원하는 절제 프로파일이다. 디더링 알고리즘은 빔 직경과 무관하게 동작하므로, 빔 직경을 고려할 필요가 없다. 디더링 알고리즘은 레이저 샷 파일을 출력으로서 제공한다. 더 구체적으로, 디더링 알고리즘은 그리드 위치들 상의 엑시머 레이저의 레이저 샷들의 제공을 위해 이용된다. 바람직하게는, 각각의 그리드 위치에 대해 레이저 샷이 제공되는지의 여부를 결정하기 위해 비용 함수가 사용된다. 여기서, 바람직하게는 하나 이상의 레이저 샷이 주어진 그리드 위치의 이웃의 그리드 위치(들)에 제공되는지에 대해 결정이 이루어진다. 바람직하게는, 미국 특허 제6,090,100호에 개시된 바와 같이 디더링 알고리즘이 이용된다.Because of the dithering algorithm, the input parameters are the shot volume of the laser shot and the desired ablation profile. Since the dithering algorithm operates irrespective of the beam diameter, it is not necessary to consider the beam diameter. The dithering algorithm provides the laser shot file as output. More specifically, a dithering algorithm is used for providing laser shots of the excimer laser on grid positions. Preferably, a cost function is used to determine whether a laser shot is provided for each grid position. Here, a determination is preferably made as to whether one or more laser shots are provided at a neighboring grid position (s) of a given grid position. Preferably, a dithering algorithm is used as disclosed in U.S. Patent No. 6,090,100.
이하에서는 에러 확산에 대한 일례를 나타내는 흐름도를 도시하는 도 3을 참조하여 바람직한 디더링 알고리즘이 설명된다. 이 디더링 알고리즘은 에러 확산의 개념에 기초한다. 에러 확산의 단계 전에, 예를 들어 환자 눈의 원하는 교정 또는 콘택트 렌즈들 또는 IOL들의 수정에 기초하여 원하는 절제 프로파일이 계산된다. 이 프로파일은 특정 그리드 폭을 갖는 그리드 내에 저장된다. 예를 들어, 이러한 그리드는 256 X 256개의 값을 가지며, 152 mm2의 면적을 커버한다. 해당 그리드 내의 하나의 에지에서 에러 확산이 개시될 수 있으며, 라인별로 이를 따른다.Hereinafter, a preferred dithering algorithm will be described with reference to FIG. 3, which shows a flow chart illustrating an example of error diffusion. This dithering algorithm is based on the concept of error diffusion. Before the step of error diffusion, the desired ablation profile is calculated, for example based on the desired correction of the patient's eye or modification of the contact lenses or IOLs. This profile is stored in a grid with a specific grid width. For example, these grids have a value of 256 X 256 and cover an area of 15 2 mm 2 . Error diffusion can be initiated at one edge in the grid, followed by line by line.
제1 단계 S1에서, 수학식 1을 이용하여 절제 프로파일 및 동적 임계치가 결정되고, 액티브 디더링 위치가 그리드의 에지들 중 하나 내의 포인트로 설정된다. 옵션으로서, 원하는 그리드 폭이 계산된다. 상기 액티브 디더링 위치는 치료되고 있는 그리드 내의 실제 위치를 나타낸다.In a first step Sl, abstraction profile and dynamic threshold are determined using Equation (1), and the active dithering position is set to a point in one of the edges of the grid. Optionally, the desired grid width is calculated. The active dithering position represents the actual position in the grid being treated.
다음 단계 S2에서, 액티브 디더링 위치에 대한 원하는 절제 값이 얻어진다. 단계 S3에서, 이 원하는 절제 값과 스케일링 팩터 f를 곱한다. 스케일링 팩터 f는 상이한 크기의 레이저 펄스 및 배치 폭, 즉 그리드 폭을 고려한다. 더 구체적으로, 스케일링 팩터는 이 위치에서 원하는 샷 밀도를 얻기 위해 다음과 같이 계산된다(수학식 3 참조).In the next step S2, a desired ablation value for the active dither position is obtained. In step S3, this desired ablation value is multiplied by the scaling factor f. The scaling factor f takes into account the laser pulses of different sizes and the arrangement width, i.e., the grid width. More specifically, the scaling factor is calculated as follows to obtain the desired shot density at this position (see equation (3)).
152 mm2의 면적을 커버하는 256 x 256개의 값을 갖는 전술한 그리드에 대해, 그리드 폭은 15 mm/256 = 58 μm이다. 따라서, 레이저 빔이 주위에 전송될 수 있는 최소 정사각형의 면적은 (58 μm)2이다. 따라서, 계산된 펄스들의 수는 레이저 펄스들의 중첩을 고려하기 위해 감소된다.15 2 for the above-mentioned grid having 256 x 256 values which covers an area of 2 mm, the grid width is 15 mm / 256 = 58 μm. Thus, the area of the smallest square the laser beam can be transmitted around is (58 μm) 2 . Thus, the number of pulses calculated is reduced to account for the overlap of the laser pulses.
다음 단계 S4에서, 액티브 디더링 위치에 대한 원하는 스케일링된 절제 값에 가중된 이웃 에러들이 더해진다. 이 가중된 이웃 에러들은 바람직하게는 이미 치료된 인접 그리드 포인트들의 에러들의 가중 합이다. 일례가 후술된다.In the next step S4, weighted neighboring errors are added to the desired scaled abstraction value for the active dithering position. These weighted neighboring errors are preferably weighted sums of errors of already treated neighboring grid points. An example will be described later.
추가 단계 S5에서, 얻어진 값이 소정 임계치보다 큰지에 대한 판정이 이루어진다. 따라서, 각각의 그리드 포인트에 대한 값과 인접 그리드 포인트들의 가중 에러들의 합이 임계치와 비교될 것이다. 그 값이 임계치 T(x,y)보다 크지 않은 경우, 단계 S9로 이어진다. 그 값이 임계치보다 큰 경우, 레이저 펄스는 단계 S6에서 이 그리드 위치에 대해 설정된다. 상기 밀도 값으로부터 하나의 레이저 펄스가 감해진다. 이어서, 단계 S7에서, 새로운 값이 임계치보다 여전히 더 큰지를 판정한다. 단계 S8에서, 새로운 값이 동적 임계치보다 큰 경우, 샷 오버플로우 에러가 발생한 것으로 판정된다. 즉, 하나의 그리드 위치에서 더 많은 레이저 펄스를 설정하는 것이 필요한 경우, 알고리즘은 에러로 중지되어야 한다. 식 4를 이용하여 계산된 그리드 폭을 사용함으로써, 이러한 에러를 방지할 수 있다. 이러한 에러 확산의 실시예에서는, 각각의 그리드 위치에 대한 하나의 레이저 펄스의 최대가 허용된다.In a further step S5, a determination is made whether the value obtained is greater than a predetermined threshold value. Thus, the value for each grid point and the sum of the weighted errors of adjacent grid points will be compared to the threshold. If the value is not larger than the threshold value T (x, y), the process proceeds to step S9. If the value is greater than the threshold value, the laser pulse is set for this grid position in step S6. One laser pulse is subtracted from the density value. Then, in step S7 it is determined whether the new value is still greater than the threshold. In step S8, if the new value is larger than the dynamic threshold value, it is determined that a shot overflow error has occurred. That is, if it is necessary to set more laser pulses at one grid position, the algorithm should be stopped with an error. By using the calculated grid
한편, 단계 S9에서, 그 새로운 값이 임계치보다 크지 않은 경우, 이 새로운 값은 이 특정 그리드 위치에 대한 에러로서 저장된다. 이것은 추가 디더링 위치들에 대한 계산을 위해 이웃 위치들을 치료할 때 사용될 것이다.On the other hand, in step S9, if the new value is not greater than the threshold value, this new value is stored as an error for this particular grid position. This will be used when treating neighboring locations for computation for additional dithering positions.
다음 단계 S10에서, 그 라인이 완료되었는지에 대한 판정이 이루어지고, 그렇지 않은 경우, 단계 S11에서 동일 라인 내의 다음 포인트가 액티브 위치로서 선택되고, 전술한 치료가 반복된다. 그 라인이 완료된 경우, 단계 S12에서 새로운 라인이 존재하는지에 대한 판정이 이루어져야 하고, 그러한 경우에는 단계 S13에서 새로운 라인 내의 제1 포인트가 액티브 위치로서 선택되고, 치료가 반복된다. 이와 달리, 새로운 라인이 존재하지 않는 경우에는 단계 S14에서 치료가 종료된다. 전술한 그리드 포인트 에러는 특정 그리드 포인트에서 행해진 절제 에러를 나타낸다. 치료된 각각의 그리드 포인트에 대해, 이러한 에러는 원하는 절제 값 + 가중된 이웃 에러들 - 레이저 펄스 절제 깊이의 합이다(레이저 펄스가 그 위치에 대해 설정된 경우).In the next step S10, a determination is made as to whether the line has been completed, otherwise, the next point in the same line is selected as the active position in step S11, and the above-described treatment is repeated. If the line is complete, a determination must be made as to whether a new line is present in step S12, and in such a case, the first point in the new line is selected as the active position in step S13, and the treatment is repeated. On the other hand, if there is no new line, the treatment ends in step S14. The grid point errors described above represent ablation errors made at a particular grid point. For each grid point treated, this error is the sum of the desired ablation value + weighted neighboring errors-laser pulse ablation depth (if a laser pulse is set for that position).
도 4는 이웃 그리드 포인트들의 에러들의 가중화에 대한 일례를 나타낸다. 더 구체적으로, 도 4는 7 x 7개의 그리드 포인트의 서브 그리드를 나타내며, 액티브 디더링 위치는 중앙에 도시되어 있다. 이 경우, 가중 함수는 그리드 포인트 단위로 측정된 거리에 대해 (8/거리)로서 결정된다. 이어서, 에러들의 합은 사용된 모든 가중 팩터의 합인 70.736으로 나눔으로써 정규화된다. 도 4로부터 명백하듯이, 백색 위치들은 아직 치료되지 않은 그리드 위치를 나타낸다. 따라서, 레이저 펄스가 주어진 그리드 위치에 설정되어야 하는지를 결정하기 전에, 인접 그리드 포인트들을 치료하는 동안에 유발된 에러가 그 그리드 포인트에 대한 이론 절제 값에 더해져야 한다. 이웃 그리드 포인트들의 에러들은 단순히 더해지는 것이 아니라, 그들의 액티브 그리드 포인트까지의 거리로 인해 가중된다. 각각의 가중 팩터들이 도 4에 도시되어 있다. 이것은 주변 에러들을 합산하기 위한 단지 하나의 가능한 방법일 뿐이며, 양호하게 동작한다는 점에 유의해야 한다.4 shows an example of weighting errors of neighboring grid points. More specifically, Figure 4 shows a sub-grid of 7 x 7 grid points, with the active dithering position shown at the center. In this case, the weighting function is determined as (8 / distance) for the distance measured in grid point units. The sum of the errors is then normalized by dividing by the sum of all weight factors used, which is 70.736. As can be seen from FIG. 4, the white locations represent untreated grid locations. Thus, before determining whether a laser pulse should be set at a given grid position, the error induced during the treatment of adjacent grid points must be added to the theoretical abstraction value for that grid point. Errors in neighboring grid points are not simply added, but are weighted by the distance to their active grid point. Each of the weighting factors is shown in FIG. It should be noted that this is but one possible way to sum the peripheral errors and works well.
전술한 디더링 알고리즘은 본 발명을 이용하기 위한 일례일 뿐이라는 점에 유의해야 한다.It should be noted that the above-described dithering algorithm is only an example for using the present invention.
이후에 개별 분류 알고리즘을 이용하여 레이저 샷 시퀀스가 결정될 수 있다. 분류는 열 효과들을 방지하기 위해 수행될 수 있다. 따라서, 임의의 2개의 이어지는 레이저 샷은 바람직하게는 서로 이격된 2개의 그리드 위치에 제공되어야 한다. 바람직하게는, 4개의 샷마다, 레이저 샷이 제1 샷과 동일한 부위에 제공된다.The laser shot sequence can then be determined using an individual classification algorithm. The classification may be performed to prevent thermal effects. Thus, any two successive laser shots should preferably be provided at two grid positions spaced apart from one another. Preferably, for every four shots, a laser shot is provided at the same position as the first shot.
본 발명의 위의 개시 및 설명은 예시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 구성 및 동작 방법의 변경들이 이루어질 수 있다.The above disclosure and description of the present invention are for the purpose of illustration and description, and modifications of construction and operating methods may be made without departing from the scope of the present invention.
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